波音與新材料創新故事

06-19

波音是全球最大的民用飛機和軍用飛機製造商。波音之所以取得舉世矚目的成就，與其新材料和技術的創新是密不可分的。這裡主要介紹複合材料、輕合金材料以及波音的3D列印技術。

複合材料

波音787，又稱為「夢幻客機」，是航空史上首架超遠程中型客機，中型雙發動機寬體中遠程運輸機。波音787的特點是大量採用複合材料、低燃料消耗、較低的污染排放、高效益及舒適的客艙環境。

波音787複合材料構件重量佔全機結構重量的50％左右，是迄今為止複合材料用量最多的一個機型：其機身、機尾翼採用碳纖維層合結構；而升降舵、方向舵卻保留了過去採用的碳纖維夾芯結構；發動機艙除受力大的發動機吊架外均採用碳纖維夾芯結構；整流罩採用玻璃纖維夾芯結構。

1.碳纖維複合材料

碳纖維複合材料具有質輕、高強、高模、耐高溫、耐疲勞、導電、導熱等特性，因此是一種先進的航空航天材料。碳纖維複合材料常用作飛機的機身、風葉層板、夾芯板等部位。

2014年，日本東麗從美國波音獲得規模達到1萬億日元的飛機用碳纖維訂單。在今後10多年裡，東麗將向波音的現有機型和下一代大型客機「777X」的主機翼部分獨家供貨。

波音787和波音777飛機都採用了碳纖維複合材料作為飛機層板和夾芯板。東麗除向現有的中大型飛機787之外，還將向最早於2020年投入使用的777X供應主機翼用碳纖維複合材料。

波音787飛機機身的碳纖維分布及碳纖維世界市場份額

碳纖維全球主要製造商：

日本東麗

日本三菱

ZOLTEK

HEXCEL

……

中國碳纖維主要製造商：

中復神鷹

江蘇恆神

威海拓展

中油吉化

……

2.玻璃纖維複合材料

玻璃纖維即玻璃鋼，是輕質高強材料，具有耐燒蝕的性能。玻璃纖維複合材料可用作飛機的機翼及其前後緣、尾翼、地板梁和後承壓框以及機身蒙皮等。輕質材料，大幅度減輕飛機的重量。波音787客機大量採用玻璃纖維複合材料，佔到飛機結構總重的5%，被很多人稱之為「塑料飛機」。該複合材料具有更好的耐腐蝕性，這使得提高客艙濕度成為可能，使每一次飛行變得更加愜意，這就是為什麼波音787會成為「夢想客機」。

知名製造商：

PPG

康寧

飛薄萊特

……

碳玻璃纖維在波音飛機上的應用與分布

3.陶瓷基複合材料(CMC)

氧化陶瓷基複合材料（CMC）是使用溫度最高（1650℃）而密度最低的結構材料，是作為發動機燃燒室、火焰穩定器、內錐體、尾噴管渦輪外環及渦輪等部件最理想的材料之一。

2014年10月，波音公司、羅爾斯-羅伊斯航空發動機公司、 ATK affiliate COI Ceramics 和Albany Engineered Composites 四家公司聯合開發的氧化陶瓷基複合材料航空發動機噴嘴。該發動機噴嘴用于波音公司787夢想飛機航空發動機的噴嘴，初步的結果顯示這種材料不僅表現出良好的熱強度，同時能夠有效減輕發動機自重，節約燃油。該噴嘴是目前全球利用氧化陶瓷基複合材料製成的最大單體部件。

未來發展CMC可能被用到飛機的其他部件，如飛行器推進系統、超高音速飛行器的熱保護部件、空間飛行器等。

氧化陶瓷基複合材料航空發動機

4.其他複合材料

碳-碳複合材料

碳-碳複合材料是一種新型高溫材料，具有重量輕、模量高、比強度大、熱膨脹係數低、耐高溫、耐熱衝擊、耐腐蝕、吸震性好等一系列優異性能。碳/碳複合材料已在航天工業中得到成功的應用，如火箭發動機尾噴管、喉襯,太空梭的機翼前緣等。碳-碳複合材料在航空領域的應用，最成功的範例當數剎車盤，在這方面已經形成了成熟的市場，此外關於其作為高溫長時使用的結構材料方面的研究正在火熱進行。將該材料用於航空發動機的熱端部件是目前世界上各先進國家研究和發展的方向,並已取得初步成果。

多孔金屬箔複合材料（EMF）

隨著碳纖維增強塑料（CFRP）材料成為主要飛機結構製造材料，防雷保護已成為一個比較複雜的需要解決的問題。在航空航天工業中，保護碳纖維複合材料結構防止雷擊，廣泛使用的材料是多孔金屬箔。波音公司採用的防碳纖維複合材料雷擊的材料是多孔金屬箔複合材料。

鋁合金、鈦合金、鎂合金都屬於輕型合金，通常用于飛機機身材料，尤其是鋁合金、鈦合金已經成為飛機輕量化的關鍵性合金材料。波音777型飛機採用先進的合金做結構材料，使機身減輕了1450公斤。